船舶消防水泵软启动器应用与故障分析

◎ 单纯正 许林

1.驻上海地区第四军事代表室；2.中国船舶集团有限公司第七一一研究所

1.船舶消防水泵中软启动器的作用

近年来，船舶工业发展迅速，船舶电气自动化程度越来越高，许多自动化控制装置和仪表设备对船舶电网的供电质量要求也大大提高，船舶吨位也不断提高，消防水泵功率也在增大，使用软启动器控制已经普遍应用到该领域。传统控制方式是采用接触器直接启停，在启停过程中都将因为转矩突变而导致水流形成水锤现象，使消防泵产生喘震和噪音，同时也会晃动消防管道和支架，甚至造成爆管、阀门松动、消防水泵遭到损坏，这种比较简单的控制方式，但是它对船舶电网冲击有很大的影响[1]；该启动装置是采用接触器进行切换,在启停的瞬间接触器容易产生大的电弧,会引起触头烧损造成相互短路,轻则对电网冲击影响船上其他设备运行，重则危及船舶电力系统安全运行造成全船停电；同时容易损坏控制电路元器件，造成很大的安全隐患，使维护保养工作量增多[2]。在多型船舶上使用罗克韦尔（Rockwell）公司SMC系列软启动器，可以在控制消防泵电机启停过程中实时检测，输出电压可以根据负载条件和泵的转速，使输出到达最佳拟合，大大的提高了泵的使用寿命，降低维护成本和维护工作，同时有效地消除了水锤现象，降低消防泵的喘震和噪音。它不仅对电网系统冲击小，保护功能更加完善，控制元件不容易损坏，并且相对于变频器，它具有结构简单，维修方便，价格实惠，实用性较强等优点。

2.软启动器在船舶消防水泵中的应用

2.1 软启动器的工作原理

软启动器是采用电力电子技术集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电动机控制装置，国外称为Soft Starter 。使用三相反并联晶闸管（SCR）作为调压器，其连接在电源和电动机定子之间，及以微处理器和信号检测、保护控制构成控制器，通过控制晶闸管调节器输出的晶闸管触发角使软启动器电压升高，触发角增大，电机逐渐加速，一直到完全导通晶闸管，SMC-Flex控制器检测电机达到额定转速自动引入内部的旁路接触器使输出电压达到满电压，以减少热损耗，延长软启动器的寿命，提高其效率，而且避免了晶闸管使电网谐波污染，同时实现非接触式软启动，软停车，泵控制模式，轻载节能及多种保护功能。使用AB公司的SMC系列软启动器就具有专门的泵控制方式和内部旁路接触器，软启动器控制原理系统框图如图1所示。

图1 软启动器控制原理系统框图

2.2 消防水泵软启动器控制器接线图

实际使用SMC-Flex控制器主回路采用标准接线“一控一”控制方式如图2所示，这种控制方式可提高设备的安全可靠性，软启动后，控制器会自动引入内部旁路接触器，然后关断晶闸管使输出电压达到全压，从而降低了软启动器晶闸管的热损耗。不仅延长了软启动器的使用寿命，避免了谐波对电网污染。

图2 软启动器主回路接线图

2.3 软启动器参数设置

一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，用户在正确使用软启动器之前通过适当设定控制参数，调节输出可以使消防泵电机运行电流和负载，以获得更好的匹配。基本参数设置，检查电机参数，软启动在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、频率、功率因数，这些参数可以直接从电机铭牌获得。根据电机信息，输入数据同电机铭牌上的数据一致至关重要，将参数正确完整输入，使控制器获得最佳的性能。注意在电机运行期间，修改参数值是无效的，直到下一次运行参数值才会被修订，同时允许用户通过密码保护来限制他人越权进入编程系统。

消防泵机旁控制箱具有电源、泵阀运行、故障等状态的实时指示功能，具有控制部位转换、起停控制、过载保护、电动碟阀开闭等控制功能。在机旁控制箱采用了SMC系列软起动器，通过应用欠压启动的方法，将单台消防泵组原来6倍于额定电流的起动电流限制在现在3倍于额定电流的起动电流范围之内，根据机旁控制箱与消防泵组的联调试验证明效果理想，额定功率125千瓦的电动消防泵实际启动电流可控制在700A以内。有效防止了大功率电动消防泵组投入时产生对电网的破坏性冲击，同时采用软停止逐渐降压的停泵方式，减轻了水锤效应对消防泵的损坏程度。同时该软启动器结构牢固可靠，内置旁路，外形紧凑，发热量小，在满足软启动的前提下又做到了节能。

根据对试验数据分析：既满足消防泵起动电流不大于其颤定电流(额定电流为235A的3倍的要求，又能确保消防泵快速起动投入运行；则实验数据中的配置参数采用软起动方式、斜坡时间20S、初始转矩10%、突跳起动时间0S、突跳起动等级0%、软停止时间5S的一组为最佳配置参数，测量参数为：冲击电流600A、起动时间4.8S、停止时间5.3S，并在该组参数上试验三次均满足条件，该组参数作为消防泵机旁控制箱的初始配置参数。

2.4 软启动器的功能

2.4.1 泵控制功能

泵控制功能是将消防泵电机的特性曲线预设储存在SMC-Flex控制器中，该功能能够通过对消防泵电机的加速和平滑加速，而消防泵，以减少在启动和停止时水锤现象。微处理器分析消防泵每个运行参量，并发出命令来控制电机的运转，降低系统发生的水锤现象的可能性。但是传统的降压线性斜坡软停止不能有效的改善消防泵系统的性能，消防泵要使用特殊的泵控制功能，泵控制选项运行时序图见图3。

图3 泵控制选项运行时序图

2.4.2 软停车功能

停车时消防泵电压逐渐减小，转速下降斜坡时间用户可以调节电压斜坡下降时间范围是0-120秒。当输入电压下降到负载转矩比电机输出转矩较大时对应负载停止的电压值，可消除由于自由停车带来的系统二次冲击，对消防泵负载可以减轻突然停车造成的水锤效应。

2.4.3 保护功能

SMC-Flex控制器提供了过载、过流、欠载、欠电压、过电压、缺相、失速保护和堵转检测等多种保护功能[3]。

同时可以看出软启动器有传统起动装置无法比拟的优点，对于船舶消防泵较特殊的如平滑加速、软停止、各种保护功能的要求，它是传统起动装置的理想换代产品。

3.软启动器运行过程中常见故障及原因分析

3.1 启动故障

正常启动后无反应，首先检查主电路是否供电，然后再去启动；主电路电源缺相，软启动器保护动作，首先检测三相电是否缺相。

晶闸管击穿短路，晶闸管损坏原因频繁启动过热而损坏或者滤波板损坏，造成晶闸管非正常导通，及时更换。

门极开路故障，可能是某个电源电极上由于门极开路造成的，将门导线松动加以紧固，如果必要时，请更换电源电极。

欠电压故障软启动器电源输入部分有问题，需检查电源后才可以运行。

负载断开软启动器输出端没有连接负载，可能电源线与消防泵接线端子处连接松脱或接触不良。

软启动器SMC-Flex控制器模块损坏系统故障，更换控制器。

3.2 温度故障

启动过程中突然停机，温度过热可能是软启动器通风情况不良或风扇故障，因为软启动器用晶闸管控制存在散热问题，SMC-Flex控制器的开放式设计要求将其安装在机箱内，机箱温度必须控制在0-50℃之间，保证通风排出软启动器工作时产生的热量，及时清理软启动器出风口积灰或更换风扇；

周围环境温度过高或者消防泵启动瞬间过载严重，也会引起温度保护动作。因为SMC-Flex控制器通过内部的热敏电阻器监视晶闸管和旁路的温度，当电源电极到达最高额定温度时，组件就关断晶闸管门信号关闭，软启动器停止工作。环境温度过高，再加上启动瞬间过载严重，这将大大增加整流器的温度，造成保护跳闸，应尽量降低它的环境温度；

如果消防泵堵转，起动转矩大，也可能导致温度故障，使软启动器不能正常工作。解决温度故障时，必须从两个方面考虑自身温度和外部负载，如果消防泵存在过载，软启动器就会瞬间严重过热不能启动。

3.3 接地故障

接地故障绝缘或高阻抗系统中，通常以磁芯平衡电流传感器检测等级较低的接地故障，检测到这种故障可以中断系统的运行，发出警报防止设备进一步损坏，及时开展维修，这些故障通常由于绝缘击穿或者异物进入造成。

3.4 失速堵转故障

消防泵转动部分堵转过载严重，引起的起动力矩过大，软启动器保护动作，解决方法是检查管道是否有异物进入，造成消防泵转动部分卡涩，保证管道内没有异物；另外也可能是吸入阀没有打开，而过载严重而无法启动；软启动器控制器组件的问题，则检查软启动器本身。失速保护和堵转检测增强对消防泵整个系统的保护。

3.5 线路故障

SMC-Flex控制器能够持续检测线路状况是否发生异常，起动前包括：

线路故障（带相电压指示）

①电源断电；

②消防泵电机连接的三相电源线松动或者消防泵故障或者三相电源不平衡；

③SCR短路。

运行期间线路故障（无相电压指示）

①供电电源消失断电；

②负载断开连接；

③软启动器自身故障，控制器组件故障或者电源门极电阻器开路。

3.6 故障显示

从软启动器故障指示入手，SMC-Flex控制器上显示屏故障代码显示可以通过故障代码索引表来查看，来精准的定位故障原因和故障位置，并快速的排除故障。在实际运行过程中多数故障是失速堵转和温度故障，软启动器自身出现问题很少。

4.结论

结合实际运用总结归纳了软启动器的故障，可以通过参考快速有效的排除故障，恢复工作。实际中，船舶消防水泵软启动器应用对改善消防泵启动对船舶电站的冲击，减轻消防泵停机时的“水锤效应”的影响，改善控制电器的维护工作有极高价值的意义。